Российские физики открыли «эффект памяти» в одноэлектронных транзисторах

Графики изменения диэлектрического слоя в зависимости от заряда конденсатора

Изображение: S. A. Fedorov et al. / Physical Review B, 2015

Российско-американская группа физиков предсказала существование «эффекта памяти» в одноэлектронных транзисторах. Ученые считают, что проведенное ими теоретическое исследование может стать основой для практического применения запоминающих устройств на их основе. Результаты моделирования опубликованы в журнале Physical Review B, о работе также сообщает пресс-релиз МФТИ, поступивший в редакцию N+1.

Одноэлектронные транзисторы — устройства, в которых возможно получение заметных изменений напряжения при манипуляции с отдельными электронами. Принцип их работы аналогичен обычному транзистору — включая и выключая напряжение на одном электроде, называемом затвором, можно управлять пропусканием тока между двумя другими — стоком и истоком. В одноэлектронном транзисторе между стоком и истоком есть металлический (или полупроводниковый) наноразмерный «островок», отделенный от электродов слоем диэлектрика. Таким образом, чтобы электроны с истока попали на сток, они должны сначала попасть на островок. 

Происходит это за счет процессов туннелирования через энергетический барьер, создаваемый диэлектрическими прослойками. Когда на затвор не подается напряжение, электронам энергетически невыгодно находиться на «островке» и их миграции на исток не происходит. Однако при подаче положительно напряжения на затвор ситуация меняется и «островок» становится более энергетически выгодным, чем сток — электроны начинают туннелировать сквозь диэлектрик. Поскольку вероятность туннелирования зависит от высоты барьера и выигрыша в энергии, при определенных напряжениях затвора ток протекает через транзистор единичными электронами.

Авторы провели теоретическое исследование процессов электронного переноса в одноэлектронном транзисторе. В своей модели ученые ввели более сложную зависимость вектора поляризации диэлектрика от внешнего электрического поля, отказавшись от старых представлений о том, что диэлектрическая проницаемость остается константой в описываемых процессах. Таким образом, их исследование позволяет учесть тот факт, что поляризация диэлектрика не происходит мгновенно. Наиболее сильно этот эффект проявляется в материалах, в которых поляризация происходит за счет сдвига тяжелых или инертных атомов, например, в титанате бария.

Расчеты показали, что входящие в состав одноэлектронного транзистора конденсаторы (их образуют электроды, островок и слои диэлектрика) должны обладать «эффектом памяти». Это означает, что проводимость между контактами устройства и «островком» зависит не только от заряда в данный момент, но и от того, каков был заряд конденсатора ранее. Причиной является изменение диэлектрической проницаемости непроводящей прослойки при электронном туннелировании, из-за чего наведенные заряды какое-то время остаются при исчезновении поля, меняя свойства системы. Из-за этого при следующем прохождении электрона проводимость оказывается зависимой от того, каким был предшествующий заряд.Таким образом, «эффект памяти» оказался связан с временной поляризацией диэлектрика и при правильном подборе материалов может наблюдаться даже при комнатной температуре. 

Для устранения недостатков существующих устройств памяти многие научные группы занимаются поиском новых физических принципов, по которым они могли бы быть построены. Авторы данной работы считают, что их исследование сможет помочь в создании работающих моделей запоминающих устройств на основе одноэлектронных транзисторов и позволит расширить теоретические представления о происходящих в них процессах. 


Екатерина Митрофанова

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.